Zakład Protetyki Stomatologicznej Pomorskiej Akademii Medycznej w Szczecinie al. Powstańców Wlkp. 72, 70-111 Szczecin
Kierownik: prof. dr hab. n. med. Bogumiła Frączak
1 Katedra Biomateriałów Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie
al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków Kierownik: prof. dr hab. inż. Stanisław Błażewicz
Summary
Introduction: A good denture can only be produced through proper actions during the clinical and laboratory stages of the production process.
The aim of this study was to determine if a change in polymerization time affects the physicochemical properties of polymethacrylate material used for dentures.
Material and methods: We examined the acrylic resin Vertex R.S. polymerized for 15, 25, 40, or 60 minutes. Pal-apress Vario was taken as reference material. Static bend-ing, microhardness, surface wettability, and susceptibility to abrasion were determined.
Results: The microhardness test showed that most of the samples had similar Vickers hardness (VS) values, except for the sample polymerized for 25 min. which demonstrated a significantly higher value. Grindability was affected by a change in polymerization time. Mass loss was greatest for samples polymerized for 15, 25, and 60 min. and smallest for Vertex 40 and Palapress Vario. We also observed differences in the wetting angle. Vertex 40 and 60 had a relatively low wetting angle signifying that longer polymerization time results in lower hydrophobicity of the material.
Conclusion: The present study has demonstrated that polymerization time has a significant effect on the hardness and some mechanical properties of the acrylic resin.
K e y w o r d s: acrylic resin – polymerization – material strength.
Streszczenie
Wstęp: Wykonanie dobrej protezy jest uzależnione od prawidłowego postępowania zarówno na etapie klinicz-nym, jak i laboratoryjnym.
Celem pracy było określenie tego, jak zmiana czasu polimeryzacji tworzywa z polimetakrylanu stosowanego do wykonania protez zębowych wpływa na jego właściwości fizykochemiczne.
Materiał i metody: Przeprowadzono badania właści-wości mechanicznych tworzywa akrylowego Vertex R.S.
polimeryzowanego w różnym czasie (15, 25, 40 i 60 minut) oraz materiału referencyjnego Palapress Vario w statycznej próbie zginania, wyznaczono ich mikrotwardość, zwilżal-ność powierzchni, a także podatzwilżal-ność na ścieralzwilżal-ność.
Wyniki: Z badań mikrotwardości wynika, że większość próbek ma zbliżone wartości twardości Vickersa (HV), je-dynie próbka polimeryzowana przez 25 minut ma wyraźnie większą wartość. Materiał polimeryzowany w różnym czasie wykazywał zróżnicowaną ścieralność. Największy ubytek masy wystąpił w próbkach polimeryzowanych przez 15, 25 i 60 minut, a najmniejszy ubytek masy próbek
zaobserwo-WPŁYW CZASU POLIMERYZACJI NA WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNE VERTEX R.S. 61 wano dla materiału Vertex 40 i Palapress Vario. Materiały
te mają również zróżnicowany kąt zwilżania. Vertex 40 i 60 charakteryzują się stosunkowo niskim kątem zwilża-nia, co świadczy o tym, że przedłużony czas polimeryzacji powoduje obniżenie hydrofobowości materiału.
Wniosek: Przeprowadzone badania wykazały istotny wpływ czasu polimeryzacji tworzywa akrylowego na jego twardość i niektóre parametry mechaniczne.
H a s ł a: tworzywo akrylowe – polimeryzacja – wytrzy-małość.
Wstęp
Tworzywo akrylowe w protetyce używane jest od po-nad 60 lat. Pomimo jego wielu wad, takich jak ograniczo-na wytrzymałość, kurczliwość w trakcie polimeryzacji, porowatość oraz znaczna ścieralność, nowe technologie nie wyparły go z użycia [1]. Wykonanie dobrej protezy jest uzależnione od prawidłowości postępowania zarówno na etapie klinicznym, jak i laboratoryjnym. Współczesna protetyka stomatologiczna dysponuje szeroką gamą ma-teriałów, które mogą być wykorzystane w rehabilitacji układu stomatognatycznego. Jednak częste uszkodzenia płyt protez mogą świadczyć o zbyt małej wytrzymałości mechanicznej tworzywa akrylowego, z którego są wyko-nane [2]. Tworzywo akrylowe produkowane jest obecnie w dziesiątkach odmian i poddawane coraz bardziej nowo-czesnym procesom obróbki [3, 4, 5]. Nowoczesność tych procesów to przede wszystkim osiągnięcie maksymalnego uproszczenia procesu polimeryzacji protez, oszczędność materiału i czasu, a równocześnie uzyskanie lepszego, bar-dziej wytrzymałego i higienicznego materiału. Do tego celu prowadzą z jednej strony nowe i coraz doskonalsze materiały, a z drugiej – nowoczesne aparaty i metody polimeryzacji.
Udoskonalenie akrylu polega na zmianie jego struktury wewnętrznej, na większym rozdrobnieniu ziaren proszku, wprowadzeniu lepszych domieszek, które regulują czas polimeryzacji, a równocześnie nie powodują przebarwień i uszkodzeń akrylu [6]. Pomimo postępu, nadal bardzo często w praktyce klinicznej spotykamy się z uszkodzeniami me-chanicznymi płyt akrylowych protez zębowych. W przypad-ku protez częściowych dodatkowo wpływ na wytrzymałość mają elementy retencyjne w postaci klamer. Trwałość masy akrylowej w miejscu ich mocowania związana jest z wiel-kością przyłożonej siły i rozkładu naprężeń [7]. Tworzywa akrylowe są jednym z najczęściej używanych materiałów w protetyce stomatologicznej. Znajdują zastosowanie przy wykonywaniu protez ruchomych, tymczasowych, napraw, aparatów ortodontycznych, w mniejszym stopniu protez stałych. W każdym z powyższych przypadków mają one bezpośredni kontakt ze środowiskiem jamy ustnej [8]. Tylko dzięki ścisłemu przestrzeganiu zasad postępowania na każ-dym etapie pracy laboratoryjnej można uzyskać odpowied-nią wytrzymałość mechaniczną tworzywa akrylowego [9].
Bardzo ważne jest przestrzeganie parametrów utwardzania masy akrylowej. Krótki czas i niska temperatura powodują wzrost ilości niezwiązanych cząsteczek monomeru, które w postaci monomeru resztkowego odpowiadają za podraż-nienia błony śluzowej oraz gorsze parametry mechaniczne gotowej protezy.
Jednym z istotnych kierunków prac z zakresu protety-ki stomatologicznej są badania nad podniesieniem jakości protez wykonywanych z polimetakrylanu metylu. Każda, nawet niewielka poprawa ich trwałości lub zapewnienie lepszego osadzenia na podłożu, ma duże znaczenie dla licznej grupy osób, zwłaszcza w wieku starszym [10]. Ry-zyko złamania protezy w wyniku np. zmęczenia materiału wynika z faktu, iż człowiek zwiera łuki zębowe ponad 500 000 razy w roku. W protezach akrylowych znajdują się miejsca szczególnie podatne na złamania. Dlatego też tak ważna jest szczegółowa wiedza na temat wytrzymało-ści mechanicznej tworzywa akrylowego i procesu pękania wykonanych z niego protez [11].
Celem pracy było określenie, jak zmiana czasu polime-ryzacji tworzywa z polimetakrylanu metylu przeznaczonego do celów protetycznych w stomatologii wpływa na jego właściwości fizykochemiczne.
Materiał i metody
Przeprowadzono badania właściwości mechanicznych analizowanych materiałów oraz materiału referencyjnego Palapress Vario w statycznej próbie zginania, wyznaczo-no ich mikrotwardość, zwilżalwyznaczo-ność powierzchni, a także podatność na ścieralność. W Zakładzie Protetyki Stoma-tologicznej Pomorskiej Akademii Medycznej w Szczeci-nie wykonano 60 płytek z tworzywa akrylowego Vertex R.S. Próbki otrzymano poprzez wymieszanie w odpowied-nich proporcjach: 2,18 g (3 mL) proszku (polimeru) i 1 mL (0,95 g) płynu – monomeru (ryc. 1). Następnie po otrzyma-niu konsystencji ciasta (czas uzyskania takiej konsystencji przy temperaturze 22ºC wynosił 15 minut) wprowadzono
Ryc. 1. Tworzywo Vertex R.S. w postaci proszku i płynu Fig. 1. Vertex R.S. in the form of powder and liquid
62 BOGUMIŁA FRĄCZAK, EWA SOBOLEWSKA, HALINA EY-CHMIELEWSKA I WSP.
Mikrotwardość próbek mierzono za pomocą urządzenia mikrotwardościomierz FM -700. Pomiar polegał na określe-niu głębokości wgłębienia wgłębnika (diamentowa piramidka o kącie wierzchołkowym 136º) poddanego działaniu stałej siły równej 100 gram (0,9807N) w ciągu 10 sekund.
Dzięki znajomości pola powierzchni powstałego defektu oraz wielkości siły wyznaczono parametr określany jako twardość Vickersa (HV) w jednostkach naprężenia (Gpa). Po-miaru dokonywano w różnych miejscach powierzchni próbki.
Dla każdego rodzaju materiału wykonano po 3 próbki w for-mie kwadratu o wymiarach (10 mm × 10 mm), na których wykonano po 10 odcisków piramidką, wyznaczono śred-nią mikrotwardość Vickersa oraz odchylenie standardowe.
Pomiar ścieralności odbywał się za pomocą urządzenia Rotopol – 25 firmy Streuers. Próbki zostały poddane ście-raniu przez okres 1 minuty papierem ściernym o granulacji 2500 w środowisku wodnym. Siła nacisku próbek na papier ścierny wynosiła 5N. Próbki przymocowane były do dyszy naciskającej za pomocą dwustronnej taśmy klejącej. Pomiar był wykonywany w temperaturze pokojowej. Pomiar kąta zwilżania odbywał się za pomocą goniometru DSA10 firmy Kruss (ryc. 7).
Ryc. 2. Umieszczenie tworzywa w puszcze polimeryzacyjnej Fig. 2. Material placed in a polymerization vessel
Ryc. 3. Umieszczenie puszki w prasie
Fig. 3. Polymerization vessel placed in a press
Ryc. 4. Polimeryzowanie materiału we wrzącej wodzie Fig. 4. Polymerization of the
material in boiling water
do wypełnionej gipsem puszki polimeryzacyjnej (ryc. 2).
Po zamknięciu i umieszczeniu w prasie, usunięto nadmiar ciasta polimeryzacyjnego (ryc. 3).
Tak przygotowaną puszkę z formą, umieszczono we wrzącej wodzie i polimeryzowano przez różne okresy czasu: 15, 25, 40 oraz 60 minut (ryc. 4). Próbki materiału Vertex R.S. (Rapid Simplified) firmy Dentimex oznaczo-no następująco: 1 – Vertex 15 (polimeryzowany przez 15 min); 2 – Vertex 25 (polimeryzowany przez 25 min); 3 – Vertex 40 (polimeryzowany przez 40 min); 4 – Vertex 60
(polimeryzowany przez 60 min).
Drugi materiał, Palapress Vario firmy Heraeus Kulzer, jest żywicą dentystyczną do wykonywania protez pod ci-śnieniem na zimno. Materiał polimeryzuje w przeciągu 58 min. po zmieszaniu. Optymalna polimeryzacja zachodzi w temperaturze 55ºC, pod ciśnieniem 2 barów, w czasie 15 minut.
Próbki miały wymiary 10 × 10 mm dla pomiarów mi-krotwardości, zwilżalności i ścieralności, a dla pomiarów mechanicznych w warunkach zginania oraz badań ultra-dźwiękowych użyto próbek w formie beleczek o wymiarach 45 × 2 × 5 mm (ryc. 5 i 6).
Ryc. 5. Próbki do badań mikrotwardości, zwilżalności i ścieralności Fig. 5. Samples prepared for microhardness, wettability, and abrasiveness tests
Ryc. 6. Próbki do badań ultradźwiękowych Fig. 6. Samples prepared for ultrasound tests
WPŁYW CZASU POLIMERYZACJI NA WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNE VERTEX R.S. 63
Ryc. 7. Pomiar kąta zwilżania Fig. 7. Measurement of contact angle
Pomiar wykonano, stosując ultraczystą wodę z aparatu do produkcji wody PURELAB UHQ firmy Vivendi Water.
Wielkość kropli pomiarowej dla wody wyniosła 0,2 μL, liczba nanoszonych kropel wynosiła 10. Pomiar był wyko-nany w temperaturze pokojowej. Kąt zwilżania (kąt pła-ski θ, zawarty pomiędzy płaszczyzną ciała stałego a styczną do powierzchni kropli cieczy spoczywającej na tym ciele, w punkcie styku cieczy i ciała stałego) zależy od budowy chemicznej powierzchni (hydrofilowość lub hydrofobowość), czasu oraz heterogeniczności warstwy wierzchniej, dla-tego czas dokonywania analizy powinien być najkrótszy, a badana powierzchnia musi być czysta. Im niższa wartość kąta zwilżania, tym wyższa hydrofilowość powierzchni.
Wyniki
Wyniki badań mikrotwardości (tab. 1) wskazują, że większość próbek ma zbliżone wartości HV, jedynie próbka wykonana z materiału Vertex 25 ma wyraźnie wyższą wartość mikrotwardości. Potwierdza to zalecenia producenta dotyczące czasu polimeryzacji. Jednakże duża wartość odchylenia standardowego dla tej próbki może sugerować, że próbka nie była jednorodna. Wyniki bada-nia ścieralności próbek po rożnych czasach polimeryzacji przedstawiono na rycinie 8.
Badanie wykazało, że materiały charakteryzują się zróżnicowaną ścieralnością. Największy ubytek masy wystąpił dla materiałów Vertex 15, Vetex 25 i Vertex 60, natomiast najmniejszy dla materiału Vertex 40 oraz Palapress Vario. Wyniki badań porównawczych kąta zwilżania zestawione w tabeli 2 i na rycinie 9 wskazują, że materiały mają zróżnicowany kąt zwilżania. Materiały Vertex 40 oraz Vertex 60 charakteryzują się podobnym, stosunkowo niskim w porównaniu do pozostałych ma-teriałów kątem zwilżania, co świadczy o tym, że prze-dłużony czas polimeryzacji powoduje obniżenie hydro-fobowości i poprawę zwilżalności tworzyw akrylowych.
Pozostałe próbki mają wyższe, zbliżone wartości kąta θ.
T a b e l a 1. Wyniki badań mikrotwardości Vickersa (HV) T a b l e 1. Results of Vickers microhardness (HV) tests
Rodzaj próbki
Sample type HV
(Gpa)
Średnia materiału Mean HV (Gpa)
(Gpa)SD
Vertex 15 0,223; 0,217; 0,223 0,221 0,037 Vertex 25 0, 238; 0,267; 0,253 0,252 0,122 Vertex 40 0,215; 0,229; 0,224 0,220 0,010 Vertex 60 0,206; 0,183; 0,198 0,196 0,006 Palapress Vario 0,192; 0,202; 0,196 0,198 0,006 HV – twardodości Vickersa / Vickers hardness
T a b e l a 2. Wartości kąta zwilżania T a b l e 2. Values of contact angle Materiał
Material Wartość kąta θ
Value of θ angle SD
Vertex 15 103,2 8,63
Vertex 25 103,4 5,39
Vertex 40 89,8 3,22
Vertex 60 87,8 2,87
Palapress Vario 108,6 6,81
Ryc. 8. Średni ubytek masy materiału Fig. 8. Mean mass loss
Ryc. 9. Kąt zwilżania materiałów Fig. 9. Contact angle values
64 BOGUMIŁA FRĄCZAK, EWA SOBOLEWSKA, HALINA EY-CHMIELEWSKA I WSP.
Próbki polimeryzowane zgodnie z zasadami wyka-zały lepsze wartości wytrzymałościowe.2.
Przedłużenie lub skracanie czasu polimeryzacji wy-raźnie pogarsza parametry wytrzymałości mechanicznej. 3.
Piśmiennictwo
Hędzelek W., Gajdus P., Leda H.
1. : Możliwości zastosowania wybranych
włókien sztucznych do wzmocnienia tworzywa akrylowego. Protet.
Stomatol. 1998, 48, 4, 215–220.
Sobolewska E., Frączak B., Ey -Chmielewska H., Pamuła E.
2. :
Właści-wości mechaniczne tworzywa akrylowego Vertex R.S. Protet. Stomol.
2006, 56, 1, 65–68.
Ciechowicz B.
3. : Uwagi na temat rehabilitacji protetycznej pacjentów z ubytkami powłok twarzy. Protet. Stomatol. 1985, 35, 3, 142–147.
Maślanka T., Płonka B.
4. : Zastosowanie szyn nagryzowych z tworzywa Erkodur w leczeniu pacjentów z paradontopatiami. Protet. Stomatol.
1985, 35, 82–85.
Tsuchiya H., Hoshino Y., Tajima K., Takagi N.
5. : Leaching and cytytoxicity
of formaldehyde and methyl methacrylate from acrylic resin denture base materials. J. Prosthet. Dent. 1994, 71, 6, 618–624.
Pasenkiewicz W.
6. : Tworzywa sztuczne w protetyce stomatologicznej.
Stom. Klin. 1987, 9, 97–106.
Kasperski J., Chadek W., Żmudzki J.
7. : Ocena cech mechanicznych
ra-mion klamer doginanych z drutu stosowanych w protezach ruchomych.
Protet. Stomatol. 1999, 49, 6, 346–351.
Breguła L., Gibas M., Krasiński A.
8. : Porównanie zawartości monomeru
resztkowego w wybranych tworzywach akrylowych. Protet. Stomatol.
2003, 53, 1, 50–54.
Frączak B., Ey -Chmielewska H., Frączak P.
9. : Błędy popełniane na
eta-pach klinicznym i laboratoryjnym przy wykonywaniu uzupełnień sta-łych i ruchomych. Stom. Współcz. 1997, 4, 1, 53–55.
Lipski T., Chladek W.
10. : Próba wzmocnienia tworzywa akrylowego po-przez zbrojenie włóknem kewlarowym. Protet. Stom. 1997, 47, 1, 38–42.
Matsui Y., Ohno K., Michi K., Suzuki Y., Yamagata K.
11. : A
computer-ized method for evaluating balance of occlusal load. J. Oral Rehabil.
1996, 23, 8, 524–529.
Dyskusja
Producent zaleca dla tworzywa Vertex R.S. czas poli-meryzacji wynoszący 25 minut w 100°C, przy czym podaje, że przy tak przeprowadzonej polimeryzacji tworzywo uzy-skuje następujące parametry: wytrzymałość na zginanie 85,2 Mpal, moduł zginania 2367 MPa.
Na podstawie przeprowadzonych badań porównawczych mikrotwardości stwierdzono, że większość próbek ma zbliżo-ne wartości HV, jedynie próbka wykonana z materiału Vertex 25 (polimeryzowana przez 25 minut) ma wyraźnie wyższą wartość mikrotwardości. Wyniki te potwierdzają dotychcza-sowe badania, w których spośród wszystkich badanych ma-teriałów próbki z materiału Vertex 25 wykazywały wyraźnie najwyższą mikrotwardość [2]. Na uwagę zasługuje jednak duża wartość odchylenia standardowego tej próbki. Przedłu-żenie czasu polimeryzacji powoduje obniPrzedłu-żenie kąta zwil-żania i sprawia, że materiały stają się bardziej hydrofilowe.
Przeprowadzone badania wykazały istotny wpływ czasu polimeryzacji tworzywa z polimetakrylanu metylu na jego właściwości fizykochemiczne. Zaleca się zatem ścisłe prze-strzeganie czasu polimeryzacji badanych żywic. Zgodnie z instrukcją producenta czas ten powinien wynosić 25 mi-nut, co potwierdzają niniejsze badania. Wydaje się więc, że liczne awarie tworzywa w uzupełnieniach protetycznych użytkowanych przez pacjentów mogą być spowodowane niewłaściwym czasem polimeryzacji. Jednakże wymaga to potwierdzenia w testach prowadzonych w symulowanych warunkach in vitro, przy obciążeniach dynamicznych.
Wnioski
W przeprowadzonych badaniach stwierdzono, że za-lecany przez producenta czas polimeryzacji jest optymalny 1.
i należy go ściśle przestrzegać.
A N N A L E S A C A D E M I A E M E D I C A E S T E T I N E N S I S
R O C Z N I K I P O M O R S K I E J A K A D E M I I M E D Y C Z N E J W S Z C Z E C I N I E 2009, 55, 3, 65–69
KATARZYNA SPORNIAK‑TUTAK, MARCIN TUTAK1, MAGDALENA MIEDZIK1, LESZEK MYŚLIWIEC